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INSTITUTO POLITÉCNICO DE LISBOA Instituto Superior de Engenharia de Lisboa Escola Superior de Tecnologia da Saúde de Lisboa
CÁLCULOS DOSIMÉTRICOS EM EXAMES DE TOMOGRAFIA
COMPUTORIZADA AO CRÂNIO
Susana Margarida Varela Marques da Costa Mano
Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em
Engenharia Biomédica
Orientador
Professor Doutor Pedro Miguel Martins Ferreira (ISEL/FCUL)
Fevereiro de 2018
INSTITUTO POLITÉCNICO DE LISBOA Instituto Superior de Engenharia de Lisboa Escola Superior de Tecnologia da Saúde de Lisboa
CÁLCULOS DOSIMÉTRICOS EM EXAMES DE TOMOGRAFIA
COMPUTORIZADA AO CRÂNIO
Susana Margarida Varela Marques da Costa Mano
Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em
Engenharia Biomédica
Orientador
Professor Doutor Pedro Miguel Martins Ferreira (ISEL/FCUL)
Júri
Presidente – Professora Doutora Lina Vieira (ESTeSL)
Vogal – Professor Doutor Luís Peralta (FCUL)
Fevereiro de 2018
iv
Agradecimentos
Ao meu orientador Professor Doutor Pedro Ferreira, por toda a sua dedicação, disponibilidade e sobretudo paciência, ao longo da realização deste projeto. A sua partilha de conhecimentos durante a orientação foi fundamental. À coordenadora deste Mestrado, Professora Doutora Cecília Calado e a todos os Professores que nele participaram e me enriqueceram com os seus conhecimentos. Ao Professor Doutor Nuno Matela, Professora Doutora Maria Conceição Abreu e Professor Doutor Luís Peralta, pela disponibilidade demonstrada sempre que solicitados pelo meu orientador e por documentos facultados. À minha colega de Mestrado, Margarida Queiroga, que gentilmente me cedeu parte da sua investigação para utilizar no meu trabalho final. Ao Serviço de Radiologia do Centro Hospitalar Barreiro-Montijo e à Clinica Radiológica do Rosário, locais onde trabalho e utilizei valores de doses provenientes de exames executados por mim, para o presente estudo. Ao Centro de Física Teórica e Computacional da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, por permitir o uso do cluster e de todos os recursos necessários para correr as simulações efetuadas neste trabalho. A todos os Engenheiros da Siemens, da Gyrad e da Medical Consult, que forneceram elementos necessários para concretizar este trabalho. A todos os meus colegas de trabalho que, de alguma forma, me proporcionaram maneira de organizar o meu tempo para alcançar este objetivo. Às minhas colegas deste Mestrado, pelos incentivos nos momentos mais críticos. Aos meus irmãos, pai, Vanda e em especial à minha mãe, companheira e amiga, pelo seu apoio incondicional em todos os projetos a que me proponho. A todos os meus amigos, que sempre me deram incentivo para continuar, principalmente à Filomena e ao Pedro. UM SINCERO OBRIGADA
v
“Cada pessoa que encontro é superior
a mim em algum aspeto sobre o qual eu
aprendo algo.”
Ralph Waldo Emerson
“É isto que significa aprender. De
repente percebes algo que já tinhas
percebido toda a vida, mas numa nova
forma.”
Doris Lessin
vii
Abstract
Computed tomography (CT), since it was introduced in clinical practice in the early 1970s, assumed a relevant role within the means of diagnosis. It is very useful for diagnosis, intervention and follow-up of patients. Since its emergence it has underwent a huge technological development, and it has advantages over other techniques for the information it provides, and in terms of costs, it is not included in the more expensive exams. One of the main advantages of CT is that it allows the study of axial sections of the objects under study and the possibility to make three-dimensional reformats. In this way we obtain a greater resolution of the images without superimposed structures as it happens in Conventional Radiology. In contrast, the major disadvantage of this type of exams is the associated ionizing radiation. There is an increase in the population's exposure to this type of radiation due to medical procedures. In this way, the area of radiological protection is constantly updated and there is a growing concern about the risks associated with this type of examination. As always, one seeks the balance between benefit and associated risk. The objective of this work was to simulate the interaction of radiation with the human body in CT examinations, in particular, head examinations, through the numerical simulation of dosimetry methods. We will also analyzed the dose values that are cited in the literature and try to understand how to arrive at the same values, i.e. to obtain informations about the photon flux (number of photons that the CT equipment produces). The methodology used is the Penelope program, which is a Monte Carlo simulation code used to calculate radiation generation, its transport and its interaction with matter, and calculate the dose absorbed by the latter. As a result, we obtained a calibration source for our simulations, concluding that the values for the calculated absorbed doses are comparable to those referred in the literature. Keywords: CT, Penelope, dose, simulation, radiation, phantom
viii
Índice geral
Agradecimentos.......................................................................................................... iv
Resumo ...................................................................................................................... vi
Abstract ..................................................................................................................... vii
Índice geral ............................................................................................................... viii
Índice de figuras .......................................................................................................... x
Índice de tabelas ...................................................................................................... xiii
Índice de abreviaturas e de siglas ............................................................................. xv
1. Introdução ......................................................................................................... 1
2. Enquadramento teórico .................................................................................... 3
2.1. Objetivos ........................................................................................................... 3
2.2. Radiação ionizante ........................................................................................... 4
2.3. Produção de radiação X ................................................................................... 5
2.4. Interação da radiação com a matéria ............................................................... 7
2.5. Efeitos biológicos da radiação ........................................................................ 10
2.6. Tomografia Computorizada ............................................................................ 11
2.6.1. Evolução dos Equipamentos ....................................................................... 12
2.6.2. Componentes básicos dum equipamento de TC ......................................... 16
2.6.3. Aquisição de dados ..................................................................................... 18
2.6.4. Reconstrução e apresentação da imagem .................................................. 19
2.7. Dosimetria em TC ........................................................................................... 20
2.7.1. Doses descritas na literatura e estudos de controlo de qualidade .............. 24
2.8. Programa de simulação – PENELOPE........................................................... 30
3. Materiais e métodos ....................................................................................... 33
3.1. Simulação de espectros produzidos por ampolas de raios X ......................... 33
3.1.1. Espectros disponíveis na literatura .............................................................. 34
3.1.2. Espectro simulado com PENELOPE ........................................................... 35
3.2. Calibração dos espectros simulados .............................................................. 39
3.3. Simulações com Fantomas............................................................................. 43
x
- 3.3.1. Simulações com o cilindro de PMMA
- 3.3.2. Simulações com Fantoma antropomórfico
- Resultados/ Discussão
- Considerações finais
- Referências bibliográficas
- Apêndice
- Figura 1 - Espectro de radiação eletromagnética Índice de figuras
- Figura 2 - Tubo ou ampola de raios X
- Figura 3 - Radiação de Bremsstrahlung
- Figura 4 - Produção de radiação característica
- Figura 5 - Dispersão de Rayleigh
- Figura 6 - Efeito de Compton
- Figura 7 - Efeito Fotoelétrico......................................................................................
- Figura 8 - Produção de Pares
- Figura 9 - Reações Fotonucleares
- Figura 10 - TC da primeira geração
- Figura 11 - TC da segunda geração
- Figura 12 - TC da terceira geração
- Figura 13 - TC da quarta geração
- Figura 14 - TC Multislice
- Figura 15 - Equipamento de TC
- Figura 16 - Consola de TC.......................................................................................
- secção de corte Figura 17 - Representação da passagem de um raio por diversos materiais numa
- Figura 18 - Representação do pixel e do voxel........................................................
- Figura 19 - Escala de Hounsfield (UH)
- Figura 20 - Relação do movimento da mesa com o pitch
xi
Figura 21 - Montagem de uma câmara de ionização e Fantoma expostos a um feixe
de radiação de um equipamento TC para o cálculo do CTDI (Computed Tomography
dose Index). .............................................................................................................. 25
Figura 22 - Exemplo de visualização de uma geometria no plano YZ com diferentes
materiais representados por cores distintas no Gview 2d. ....................................... 32
Figura 23 - A mesma representação geométrica da figura anterior. mas visualizada
nos planos XY. ......................................................................................................... 32
Figura 24 - Representação de um espectro de 130 kV gerado pela Siemens ......... 34
Figura 25 - Representação de um espectro de 130 kV gerado pelo programa
SpekCalc .................................................................................................................. 35
Figura 26 - Geometria da ampola de raios x gerada no PENELOPE. Os materiais
envolvidos são tungsténio (roxo), aluminio (laranja) e silício (azul). ......................... 36
Figura 27. Parâmetros de definição da fonte ........................................................... 36
Figura 28 - Escolha de materiais para gerar a ampola de raios X ........................... 37
Figura 29 - Ficheiro de definição de geometria........................................................ 37
Figura 30 - Representação do espectro de 130 Kv gerado pelo PENELOPE ......... 38
Figura 31 - Relação da intensidade de corrente (mAs) com o CTDIvol do estudo de
Azevedo et al ........................................................................................................... 40
Figura 32 - Inicio do ficheiro fantoma_acrilico.in ...................................................... 41
Figura 33 - Final do ficheiro fantoma_acrilico.in ...................................................... 42
Figura 34 - Energia depositada num Fantoma de acrílico em função da coordenada
da fonte, com um espectro PENELOPE (azul), SpekCalc (verde) e Siemens
(vermelho). ............................................................................................................... 44
Figura 35 - Representação do Fantoma no Gview3D. ............................................. 45
xiii
Índice de tabelas
Tabela 1 - Limites de dose de radiação ionizante estabelecidos a nível nacional (artigo
4º, 5º, 6º, e 7º do Decreto-Lei n.º 222/2008, de 17/11) ............................................ 11
Tabela 2 - Tabela de Fatores de Ponderação Tecidular ICRP-103 (* corresponde a
glândulas supra-renais, bexiga, coração, rins, gânglios linfáticos, músculos, mucosa
oral, pâncreas, próstata, intestino delgado, baço, timo, útero/cérvix) ....................... 22
Tabela 3 - Doses europeias de referência (Report EUR 16262 EN) ........................ 25
Tabela 4 - Doses medidas pela empresa Medical Consult no CHBM com um Pitch de
1.2 e 100 mAs. ......................................................................................................... 26
Tabela 5 - Doses medidas pela empresa Gyrad na Clínica Radiológica do Rosário.
Tabela 6 - Resultados do estudo de Azevedo et al, em mAs, kVp e os respetivos
CTDIvol num exame com o protocolo de crânio. ....................................................... 27
Tabela 7 - Resultados de dose de exames ao crânio efetuados num TC Siemens
Sensation 16 no CHBM, EPE em pacientes, com 130 kV de tensão. ...................... 28
Tabela 8 - Resultados de dose de exames ao crânio efetuados num TC Siemens
Sensation 16 na CRR, em pacientes, com uma tensão de 130 kV e 270 mAs. ....... 29
Tabela 9 - Resultados de dose de exames efetuados num TC Siemens Emotion 6 no
Hospital de Faro, EPE .............................................................................................. 30
Tabela 10 - Valores de dose absorvida por mAs (DmAs) ........................................ 39
Tabela 11 - Resultados das energias depositadas por cada partícula primária no
Fantoma de acrílico usando os espectros simulados ............................................... 43
xiv
Tabela 12 - Exemplo das coordenadas da fonte para as primeiras simulações com Z
= 74 cm..................................................................................................................... 48
Tabela 13 - valores do coeficiente de calibração F, para os três espectros e para os
estudos: Azevedo et al, Medical Consult e Gyrad respetivamente valores medidos e
de referência. Em unidades de nº de fotões/cm^2 /mAs.............................................. 54
Tabela 14 - Resultados da dose obtida para cada espectro e com diferentes
calibrações. .............................................................................................................. 58
Tabela 15 - Resultados da dose obtida para cada espectro e com diferentes
calibrações…………………………………………………………………………………..
Tabela 16 - Dose no cristalino……………………………………………………….……. 62
Tabela 17 - Dose na tiroide..………………………………………………………………
Tabela 18 - Diferenças percentuais relativas ao CHBM ........................................... 63
Tabela 19 - Diferenças percentuais relativas ao CRR. ............................................ 63
xvi MeV – Mega eletrão Volt mGy – mili Gray NCRP – Nacional Council on Radiation Protection and Measurements NEA – Nuclear Energy Agency PENELOPE – PENetration and Energy Loss of Positron and Eletrons PMMA – Polimetil Metacrilato Pixel – Picture Element RX – raios X TC - Tomografia Computorizada UNSCEAR – United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation Voxel - Volume Element 2D – Duas dimensões 3D – Três dimensões
1. Introdução
As radiações ionizantes estão presentes no nosso quotidiano, fazendo parte de diversos produtos analíticos da indústria e da medicina. Para que estes fenómenos possam ser utilizados em benefício da Humanidade e em condições de segurança, é muito importante o conhecimento dos processos de interação da radiação com a matéria, assim como os processos de deteção.^1 O National Council on Radiation Protection and Measurements (NCRP), nos Estados Unidos estima que a exposição à radiação para a produção de imagens médicas aumentou em 600% entre 1980 e 2006. Este significativo aumento deve-se a uma maior utilização de Tomografia Computorizada e da Medicina Nuclear.^2 O uso de radiações ionizantes está associado a riscos que, no entanto, são justificados em procedimentos de radiodiagnóstico e terapêuticos. Os danos são minimizados compreendendo esses mesmos riscos, otimizando assim a qualidade das imagens e, por conseguinte, fazendo um uso seguro da radiação.^2 A União Europeia, na Diretiva 2013/59 do Tratado da Comunidade Europeia de Energia Atómica, EURATOM, de proteção contra as radiações ionizantes, afirma “que certos desenvolvimentos tecnológicos e científicos, no domínio da medicina, levaram a um notável aumento dos níveis de exposição dos pacientes”.^3 Esta constatação reforça a necessidade de justificação de exposição radiológica médica, sendo este um dos pressupostos pelos quais se rege a Diretiva, aliado ao princípio da otimização e limitação de dose. O princípio da justificação baseia-se na prática justificada, ou seja, o benefício do paciente exposto a radiação tem de ser superior ao risco ou prejuízo que a prática possa causar.^3 O princípio de aplicação de limitação das doses consiste no facto de cada indivíduo ser protegido através de limites de dose individual. Em situações de dose planificada, a dose total não deve exceder os limites recomendados pela Comissão Internacional de Proteção Radiológica (ICRP).^3 O princípio da otimização baseia-se no acrónimo ALARA ( As Low As Reasonable Achievable ), ou seja, a dose deve ser a mais baixa possível, sem prejudicar a qualidade do exame.^3
2. Enquadramento teórico
2.1. Objetivos
Atualmente, a Tomografia Computorizada assume-se como um exame complementar de diagnóstico e terapêutica de primeira linha, devido à rapidez da sua execução, à facilidade de obtenção de um diagnóstico precoce e, consequentemente, de melhores resultados no tratamento dos pacientes. Sendo uma técnica de eleição frequentemente utlizada quer em regime de urgência, quer de internamento ou consultas, é considerado, em termos práticos, um exame de rotina. Contudo, tendo por base a radiação ionizante, é do interesse dos profissionais e do público em geral todo o tipo de estudos que contribuam, de alguma forma, para parametrizar e otimizar os protocolos existentes, com a finalidade de amenizar os riscos inerentes a este tipo de exames, sem, no entanto, prejudicar a qualidade da imagem. Este trabalho pretendeu desenvolver métodos para calcular a interação entre a radiação e o corpo humano em exames de TC de crânio, através do código de simulação de Monte Carlo
- PENELOPE. Este programa permite calcular a energia depositada por cada partícula do feixe num Fantoma e a energia depositada em cada órgão. A simulação de Monte Carlo é uma ferramenta muito utilizada para descrever o transporte das radiações ionizantes e a sua interação com a matéria, utilizando a sequência de probabilidades de interações de uma partícula com a mesma. Cada mecanismo de interação é caracterizado por uma secção eficaz diferencial correspondente, a qual vai determinar as quantidades relevantes para essa mesma interação acontecer; entre elas, encontram-se a transferência de energia, a deflexão angular e a criação de partículas secundárias geradas com diferentes energias e direções.^4 A técnica de Monte Carlo permite uma simulação computacional eficaz destes processos inerentemente aleatórios. Como já foi referido, o estudo foi efetuado em Fantomas que são simuladores do corpo humano - no caso deste trabalho - ou de outro meio, destinados à realização de testes de imagem, controlo de qualidade e dosimetria. Dividem-se em Fantomas físicos, geralmente constituídos por acrílico, por terem uma densidade próxima ao corpo humano, sendo a densidade dos tecidos de 1.06 g/cm^3 e do Polimetil Metacrilato 1.19 g/cm^3 e Fantomas virtuais, sendo estes, modelos matemáticos ou de voxels desenvolvidos para simulações computacionais.^5 Mais à frente iremos descrever os Fantomas usados neste trabalho.
Pretendeu-se, ainda, realizar cálculos numéricos de dosimetria de um exame em TC e, posteriormente, comparar os resultados com as doses descritas em estudos existentes e com doses de exames efetuados pela autora deste trabalho. O objetivo foi tentar perceber os números debitados pelos equipamentos de TC, do CTDI, acrónimo de Computed Tomography Dose Index , ou seja, a dose que é administrada a cada paciente. Sabemos que a dose se baseia no cálculo da energia a dividir pela massa, mas saberemos a energia exata? Apesar de o protocolo utilizado referir a intensidade de corrente aplicada e a tensão, não temos a noção rigorosa de quantos fotões compõem um feixe de TC. E quanto à massa do crânio? Como faz o equipamento este cálculo? É pertinente que todas estas questões nos conduzam à dúvida sobre o rigor das doses. Registam-se muitas perguntas sem resposta em torno desta temática, a qual parece estar envolta em segredo profissional por parte dos fabricantes dos equipamentos.
2.2. Radiação ionizante
O espectro eletromagnético é composto por várias frequências de ondas eletromagnéticas,
desde as mais baixas, ondas rádio até às de maior frequência, radiação gama.
Figura 1 - Espectro de radiação eletromagnética^6 (raios x com energia entre 100 eV e 100 keV)
